67份匍匐型花生種質(zhì)資源遺傳多樣性分析

汪天玲,侯獻(xiàn)飛,施俊杰,孫全喜,賈東海,顧元國,單世華,苗昊翠,李 強(qiáng)

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所,烏魯木齊 830091;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所,烏魯木齊 830091;3.山東省花生研究所,山東青島 266100)

0 引 言

【研究意義】花生(ArachishypogaeaL)是我國重要的油料和經(jīng)濟(jì)作物之一[1]。花生也是重要的蛋白質(zhì)和食用油脂來源[2]。花生在我國常年種植面積約為5.0×106hm2,2021年我國花生種植面積達(dá)7 125×104hm2,產(chǎn)量達(dá)1 820×104t[3]。由于花生本身的遺傳和高度閉花授粉的特性,導(dǎo)致花生栽培種遺傳多樣性偏低,因此,花生在新品種選育創(chuàng)制過程中較難突破[4]。種質(zhì)資源是花生遺傳改良的重要基因源,是新品種選育、遺傳理論研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[5-6]。與花生栽培種相比,種質(zhì)資源有豐富的遺傳基因來應(yīng)對生物或非生物脅迫,是栽培花生遺傳改良的優(yōu)異資源。遺傳多樣性研究通過了解種群遺傳結(jié)構(gòu)和物種的多態(tài)性水平,為研究物種起源、品種分類、親本選擇和品種保護(hù)提供了依據(jù)[7]。種質(zhì)資源是花生良種選育的物質(zhì)基礎(chǔ)。通過對花生種質(zhì)資源的遺傳多樣性進(jìn)行分析,可以得出花生種質(zhì)資源變異水平的高低,而變異水平又決定了種群的進(jìn)化潛力和環(huán)境適應(yīng)能力,因此,遺傳多樣性分析對種質(zhì)資源的利用意義重大[8]。【前人研究進(jìn)展】李光威等[9]通過聚類分析將研究的25份材料聚為7個類群,結(jié)果發(fā)現(xiàn)差異主要表現(xiàn)在結(jié)果數(shù)、分枝長、分枝數(shù)和百果重等數(shù)量性狀上。李玉發(fā)等[10]對11份花生主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行研究得出,花生新品種選育要選擇變異大的性狀,品種選擇上要綜合選擇產(chǎn)量、總分枝數(shù)、單株生產(chǎn)力等均高的品種。對576份花生核心種質(zhì)資源進(jìn)行分析[11],發(fā)現(xiàn)花生在產(chǎn)量、品質(zhì)性狀存在顯著的遺傳分化和豐富的遺傳多樣性。構(gòu)建了微核心種質(zhì),分子身份證及DNA指紋圖譜等,從分子水平揭示了花生種質(zhì)資源的遺傳多樣性[12]。任小平等[13]利用27對花生SSR引物,對ICRISAT微核心花生種質(zhì)168份材料的遺傳多樣性進(jìn)行分析,結(jié)果表明栽培種花生種質(zhì)資源由4個差異顯著的基因源構(gòu)成,ICRISAT花生微核心種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性,要充分挖掘ICRISAT微核心種質(zhì)各基因源的遺傳潛力。白冬梅等[14]用90對多態(tài)性SSR引物評價山西省不同地理來源的地方種質(zhì)資源的遺傳多樣性,共擴(kuò)增出317個等位基因,平均每對引物3.522 2個。劉佳佳[15]選用94份國內(nèi)外花生種質(zhì)資源,對主要性狀進(jìn)行分析,開發(fā)了SSR分子標(biāo)記并對這些種質(zhì)資源進(jìn)行了分子身份證構(gòu)建。徐彪等[16]利用SSR標(biāo)記對花生種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析,并構(gòu)建了DNA指紋圖譜,為花生新品種分類鑒定、親緣關(guān)系分析和種質(zhì)資源的利用奠定了一定的理論基礎(chǔ)。Donald[17]系統(tǒng)地提出作物的理想株型概念。花生株型一般分為直立型、半匍匐型、匍匐型。崔順立等[18]對104份引進(jìn)的美國花生微核心種質(zhì)資源純化系進(jìn)行了農(nóng)藝性狀考察,結(jié)果表明,美國微核心種質(zhì)純化系多為匍匐型。【本研究切入點(diǎn)】從20世紀(jì)90年代至今,花生種質(zhì)資源的遺傳多樣性研究從形態(tài)學(xué)標(biāo)記逐漸趨于分子水平。形態(tài)學(xué)主要從農(nóng)藝性狀、品質(zhì)、產(chǎn)量等方面分析遺傳多樣性。花生種質(zhì)資源是遺傳育種研究的基礎(chǔ)材料,挖掘和充分利用花生種質(zhì)資源中的優(yōu)異基因是培育新品種的基礎(chǔ)。近年來,雖然國內(nèi)花生種質(zhì)資源的鑒定評價越來越趨向分子水平的應(yīng)用,但形態(tài)學(xué)標(biāo)記表現(xiàn)直觀、易于掌握,是初次鑒定和評價種質(zhì)資源的重要方法。而對于匍匐型花生種質(zhì)資源的遺傳多樣性研究少有報(bào)道,需要對匍匐型花生種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析。【擬解決的關(guān)鍵問題】分析67份匍匐型花生種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)和變異,篩選綜合性狀或單一性狀突出的種質(zhì),為花生新品種選育提供優(yōu)良親本、發(fā)掘特異基因、開展相關(guān)遺傳研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2020年、2021年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院綜合試驗(yàn)場進(jìn)行(N 43°56′50″,E 87°28′34″),海拔590 m,屬干旱半干旱荒漠氣候區(qū),土壤為灰漠土,肥力中等,年降水量150～200 mm、蒸發(fā)量1 600～2 200 mm,年日照時數(shù)2 913.5 h,平均無霜期179 d。小區(qū)面積6 m2,栽培管理措施同大田。

67份匍匐型花生品種均來自新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所。表1

續(xù)表1 67份匍匐型花生種質(zhì)資源名稱

表1 67份匍匐型花生種質(zhì)資源名稱

1.2 方 法

1.2.1 農(nóng)藝性狀調(diào)查

參照《花生種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[19]調(diào)查67份花生材料葉色、葉形、葉茸毛、旗瓣色、種皮色以及種子形狀。每小區(qū)隨機(jī)抽取連續(xù)種植的10株考種,避免取行頭的植株。考察主要性狀包括:單株生物學(xué)產(chǎn)量、主莖高、總分枝數(shù)、第一側(cè)枝長、有效枝長、莖粗、單株總果數(shù)、單株飽果數(shù)、單株產(chǎn)量、百果重、百仁重。

1.2.2 品質(zhì)測定

小區(qū)花生莢果曬干剝殼,采用近紅外分析儀測定花生品質(zhì),包括蛋白質(zhì)、含油量、油酸及亞油酸。

1.3 數(shù)據(jù)處理

質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀的遺傳參數(shù)數(shù)據(jù)均在Excel中完成,計(jì)算Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)。主成分分析和聚類分析在SPSS 19.0中完成,聚類分析采用系統(tǒng)聚類法中的離差平方和法(Ward法),默認(rèn)最長距離法。

(1)

遺傳多樣性指數(shù)H′=-∑PilnPi(i=1,2,3,…)

(2)

式中,Pi是某性狀第i個級別的材料數(shù)占總材料數(shù)的百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 花生表型性狀遺傳多樣性

2.1.1 花生6個質(zhì)量性狀遺傳多樣性指數(shù)

研究表明,6個質(zhì)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)差異較大。其中葉形的頻率分布離散性最高,多樣性指數(shù)最大,為1.14;其次是葉色,遺傳多樣性指數(shù)為1.10,旗瓣色的離散程度最低,遺傳多樣性指數(shù)最小,為0.08。67份匍匐型材料中90%以上葉片兩面光潔無茸毛、旗瓣色為黃色;葉片顏色以綠色和淡綠色為主,葉形以倒卵形居多,種皮色淺褐色占總樣品83.6%,種子形狀以圓柱形為主。表2,表3

表2 花生6個質(zhì)量性狀及其調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)

表3 花生6個質(zhì)量性狀的頻率分布及遺傳多樣性指數(shù)

2.1.2 花生材料數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)

研究表明,花生材料遺傳多樣性指數(shù)變幅在3.55～4.20。其中,單株產(chǎn)量和百仁重遺傳多樣性指數(shù)最大,均為4.20,其次是莖粗,遺傳多樣性指數(shù)為4.16,百果重4.14,單株生物學(xué)產(chǎn)量4.13,有效枝長4.01,單株總果數(shù)3.93,單株飽果數(shù)3.89,第一側(cè)枝長3.89,主莖高3.85,總分枝數(shù)3.55。67份花生材料在數(shù)量性狀上具有豐富的遺傳多樣性,改良潛力大。表4

表4 花生11個數(shù)量性狀的遺傳多樣性

2.1.3 花生品質(zhì)性狀遺傳多樣性指數(shù)

研究表明,4個品質(zhì)性狀遺傳多樣性指數(shù)分別為蛋白質(zhì)4.16,含油量4.18,油酸4.20,亞油酸4.20,均在4.0左右,數(shù)值越高,遺傳多樣性越豐富,67份種質(zhì)資源的品質(zhì)性狀具有豐富的遺傳多樣性。表5

表5 花生品質(zhì)性狀比較

2.2 花生主要農(nóng)藝性狀及品質(zhì)性狀變異系數(shù)

研究表明,67份匍匐型花生種質(zhì)資源材料的11個數(shù)量性狀中,總分枝數(shù)的變異系數(shù)最大,為46.40%,莖粗的變異系數(shù)最小,為13.35%,變異系數(shù)從大到小依次為總分枝數(shù)>單株產(chǎn)量>有效枝長>單株飽果數(shù)>單株生物學(xué)產(chǎn)量>單株總果數(shù)>主莖高>百仁重>百果重>第一側(cè)枝長>莖粗。表4

67份花生種質(zhì)資源的4個品質(zhì)性狀也表現(xiàn)出不同變異程度,蛋白質(zhì)含量在16.58%～29.35%,均值為21.61%。含油量在42.68%～53.01%,均值為49.31%。油酸含量為23.92%～46.09%,均值為37.06%。亞油酸含量為34.68%～50.07%,均值為42.12%。變異系數(shù)在4.52%～12.45%,為蛋白質(zhì)>油酸>亞油酸>含油量,67份種質(zhì)資源材料的蛋白質(zhì)和油酸含量具有較大差異。表5

該群體變異系數(shù)在農(nóng)藝性狀上均大于10%,表現(xiàn)出較高的遺傳變異潛力,特別是產(chǎn)量直接構(gòu)成因素中,如總分枝數(shù)、有效枝長、單株產(chǎn)量、單株飽果數(shù)、單株生物學(xué)產(chǎn)量的遺傳變異潛力更大。67份材料在總分枝數(shù)、有效枝長、單株產(chǎn)量、單株飽果數(shù)、單株生物學(xué)產(chǎn)量等性狀,離散程度大,有較大差異。表6

2.3 花生主要農(nóng)藝性狀與品質(zhì)性狀主成分

研究表明,前4個主成分特征值均大于1,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到70.30%,可以用4個主成分較好地代替15個性狀來綜合評價花生。第1主成分特征值為4.54,方差貢獻(xiàn)率是30.29%,是最主要的主成分,其中,單株總果數(shù)的特征向量值最大,其次是單株生物學(xué)產(chǎn)量,單株總果數(shù)對第1主成分影響最大,其次數(shù)單株生物學(xué)產(chǎn)量;第2個主成分特征值為2.29,方差貢獻(xiàn)率為15.29%,其中,亞油酸的特征向量值最大,亞油酸對第2主成分的影響最大;第3個主成分特征值為2.04,方差貢獻(xiàn)率13.60%,其中,莖粗的特征向量值最大,莖粗對第3主成分的影響最大;第4個主成分特征值是1.67,方差貢獻(xiàn)率是11.12%,其中,第一側(cè)枝長的特征向量值最大,第一側(cè)枝長對第4主成分的影響最大。表7

表7 花生主要農(nóng)藝性狀與品質(zhì)性狀的主成分

2.4 基于主要農(nóng)藝性狀及品質(zhì)性狀的聚類分析

研究表明,對67份匍匐型花生種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀及品質(zhì)性狀共15個性狀進(jìn)行聚類分析。將67份匍匐型種質(zhì)資源花生劃分為三大類群。第Ⅰ類群包括36個品種,第Ⅱ類群包括18個品種,第Ⅲ類群包括13個品種。圖1

圖1 花生主要農(nóng)藝性狀與品質(zhì)性狀聚類

第Ⅰ類群的36個品種,其主莖高、莖粗、單株產(chǎn)量介于Ⅱ、Ⅲ類群中間水平,單株生物學(xué)產(chǎn)量、總分枝數(shù)、第一側(cè)枝長、有效枝長、單株總果數(shù)、單株飽果數(shù)、油酸含量在三大類群中最低,百果重、百仁重、蛋白質(zhì)、含油量、亞油酸在三大類群中處于最高水平,平均百果重為151.37 g,平均百仁重為63.20 g,平均蛋白質(zhì)含量為22.77%,平均含油率為49.44%,平均亞油酸含量為43.39%。該類材料可以用于高油脂、高蛋白及高亞油酸花生品種的選育。

第Ⅱ類群的18份材料,其平均單株生物學(xué)產(chǎn)量312.06 g、平均主莖高36.34 g、平均第一側(cè)枝長50.56 cm、平均有效枝長12.17 cm、平均莖粗4.51 mm、平均單株總果數(shù)30.22個、平均單株飽果數(shù)25.42個、平均單株產(chǎn)量77.01 g,在三大類群中處于最高水平,這一類群的多數(shù)性狀與其他類群相比,整體性狀指標(biāo)表現(xiàn)良好,尤其是單株產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩大類群。

第Ⅲ類群的13份材料,其平均總分枝數(shù)13.03個、平均油酸含量39.54%,高于其他兩大類群,后期可用于高油酸品種選育親本材料。表8

表8 花生三大類群各性狀平均表現(xiàn)

3 討 論

3.1對表型性狀研究是植物遺傳多樣性研究中最基礎(chǔ)、最直觀的方法,能夠從整體上了解研究對象的多樣性程度,挖掘更加廣泛的基因資源,為復(fù)雜性狀機(jī)理研究提供重要依據(jù)[5,20]。對主要性狀進(jìn)行遺傳多樣性統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明,遺傳多樣性指數(shù)從大到小依次為葉形>葉色>種子形狀>種皮色>葉茸毛>旗瓣色。11個數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)變幅在3.55～4.20。其中與產(chǎn)量相關(guān)的單株產(chǎn)量和百仁重的遺傳多樣性指數(shù)最大,這兩個性狀具有豐富的變異性,為后期選育不同育種目標(biāo)提供理論基礎(chǔ)和方向。質(zhì)量性狀遺傳多樣性指數(shù)均值(0.62)小于數(shù)量性狀多樣性指數(shù)均值(3.40),與江建華等[21]研究結(jié)果一致,可能由于數(shù)量性狀較質(zhì)量性狀來說易受環(huán)境影響。變異系數(shù)是衡量遺傳變異潛力大小的標(biāo)志,表明了該群體中調(diào)查性狀的選擇范圍。若某一性狀的變異系數(shù)越大說明從該群體中選出具有該性狀的優(yōu)良個體的機(jī)會越大,反之越小。孫銘等[22]研究認(rèn)為,變異系數(shù)大于10%則表示樣本間差異較大。對67份匍匐型花生種質(zhì)資源數(shù)量性狀計(jì)算變異系數(shù)得到,變異系數(shù)范圍13.35%～46.40%,均大于10%,其中,總分枝數(shù)、單株產(chǎn)量、單株飽果數(shù)等變異系數(shù)較大,與黃璐[23]的研究結(jié)果一致。結(jié)果表明,67份匍匐型花生種質(zhì)資源的變異幅度均很大,多樣性豐富,具備良好的改良潛力。不同種質(zhì)間性狀差異較大,如研究材料中單株生物學(xué)產(chǎn)量最低的僅88.40 g,而最高的為520.60 g;總分枝數(shù)最少為4.60個,最多為25.60個,百果重最低為56.16 g,而最高的為221.93 g;百仁重最低的僅為35.94 g,最高的為117.53 g,為特異性狀種質(zhì)資源的創(chuàng)新和遺傳研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

3.2通過對供試材料的主要農(nóng)藝性狀與品質(zhì)性狀主成分分析,得出前4個主成分特征值均大于1,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到70.30%,其中,第1主成分中單株總果數(shù)影響最大。花生育種中應(yīng)根據(jù)不同的育種目標(biāo)加強(qiáng)對相應(yīng)主成分因子的選擇,有利于更快選育出新品種。

4 結(jié) 論

4.167份匍匐型花生種質(zhì)資源質(zhì)量性狀遺傳多樣性指數(shù)變幅在0.08～1.14,數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)在3.55～4.20,品質(zhì)性狀均在4.0左右;農(nóng)藝性狀變異系數(shù)均大于10%,表現(xiàn)出較高的遺傳變異潛力,總分枝數(shù)的變異系數(shù)最大,為46.40%,品質(zhì)性狀中,變異系數(shù)在4.52%～12.45%。主要農(nóng)藝性狀均表現(xiàn)出較豐富的遺傳多樣性,尤其是與產(chǎn)量相關(guān)的性狀如總分枝數(shù)、單株產(chǎn)量、百仁重等表現(xiàn)出豐富的變異。

4.267份花生材料聚為三大類群,第Ⅰ類群的36份材料,蛋白質(zhì)和含油量最高,后期可向高蛋白質(zhì)花生以及高油脂花生方向進(jìn)行選擇;第Ⅱ類群的18材料,各性狀均表現(xiàn)良好,尤其是單株產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩大類群,可作為選育高產(chǎn)品種的良好親本;第Ⅲ類群的13份材料油酸含量最高,可以作為選育高油酸品種資源加以利用。